2024年氢能行业的功能安全工业信息安全和防爆保护白皮书

功能安全、工业安全和防爆保护氢工业应用 白皮书状态：2024年7月 责任排除 我们的白皮书经过精心编制。其中包含有关我们公司和产品的信息。所有细节均按照当前技术水平和我们的知识及信念提供。然而，除非存在重大过失，否则我们不对所提供信息的准确性及完整性承担责任 。特别是，应注意的是，声明不具有保证或保证属性的法律性质。我们对有关内容的任何反馈表示感谢 。 版权和专有声明 所有权利均由PilzGmbHCoKG保留。可制作副本供内部使用。所使用的产品的名称、商品和技术均为各自公司的商标。 PilzGmbHCoKGFelixWankelStrae273760Ostfildern德国 2024byPilzGmbHCoKGOstfildern第1版 概览 为了在2050年实现净零二氧化碳排放，全球努力集中在 2 能源供应的脱碳。碳中和的氢在其中扮演关键角色。 2 对于所有涉及氢能价值链行业的各方制造商、运营商、用户、通知机构及保险公司主要目标是确保事故风险低于社会可接受的残余风险。这不仅适用于设计和工程阶段，还包括运营和维护阶段在能源供应行业尤其重要同时也保障商业持续性。 Pilz凭借其在全球自动化行业多年的经验，支持利益相关者的挑战。 在这篇白皮书中，我们关注整体氢能链的不同元素，并简要描述了关键的安全相关要求。 鉴于氢元素所展现出的引人注目的特性产生的所有机遇，值得关注的是，当人们的思考超越了仅仅符合法律要求、工业规范或技术标准时，新技术的广泛应用才会在社会中得到广泛的社会接受。 每个与安全相关的事件都延迟了新技术引入。 然而，我们坚信，当采用经过验证的解决方案时，与氢技术传播并行增长的安全相关事件的数量将不会发生。尽管如此，重要的是要意识到：即使在未来，坏消息将继续比好消息卖得更好 。 答案就是从一开始就做对！ 为了实现持久、可靠的安全，使用经过验证的程序和工具进行风险评估、风险评价以及在开发设备和机械时至关重要。 在与制造商、用户、组织和协会的众多讨论中，我们发现在处理安全要求时存在不确定性。因此 ，在本文件中，我们更详细地探讨了不同的氢能应用及其具体标准和要求。 如果您希望与我们取得联系，您可以通过访问wwwpilzcomhydrogen中的联系方式与我们联系！ 我们期待收到您的回复！ 内容 1引言5 11过程工业与机械设备安全相似性与差异6 12使用氢气时存在哪些风险？6 13基本解释术语“功能安全”7 14爆炸防护11 2法律框架：氢能12 3氢能行业工业安全14 311可预见的误用，操作故障15 312组织措施简化17 4一般安全方面18 41用于检测泄漏、气体浓度和火焰的传感器 1942过程值的监测19421安 全压力监测22422安全温度监 测22 5应用实例22 51氢气生产25 52电解槽25 53水蒸气重整26 54氢气加注站26 55氢气消费者27 551燃料电池 627 结论30 552燃烧器2 7 553内燃机29 1简介 氢在解决未来能源供应的关键问题方面具有巨大的潜力。 同时，当引入新技术时，关于接受度的问题总是会出现。目标是改善技术、商业、环境和全球战略标准的各个方面。通常，这项任务只能逐步解决，并且从回顾的角度来看，它提供的答案比前瞻性看来的更加清晰和更有说服力。 然而，考虑到其他类似应用的经验值并带来更好、更安全的解决方案包括通过类比是非常重要的。这需要密切互动和跨行业交流。 整个氢能价值链的市场推广是所有相关方的一个关键任务。工业上已验证的原则的应用和转移需要开放的合作。 工业生产和氢气的使用并非新技术但应用和应用领域已发生了相当大的变化。除了扩大到更大的质量流量外，还将出现全新的应用领域。 今天，处理氢气的经验主要存在于大规模加工厂而直接与消费者接触在过去相当罕见。能源供应的分散化是一个明确的目标其中用户群体也发生了变化因此需要特别考虑。 除了全球战略和经济考虑因素之外，市场份额的增加也从根本上依赖于社会接受度。同时，安全地处理技术的能力也发挥着关键作用。任务是保证所有应用和所有潜在资格水平的安全性 从合格的、受过培训的专业人士到加油站未受培训的消费者。 11工艺工业与机械设备安全相似性与差异 有一些相似之处但也有一些不同之处在于过程工业和机械设备安全的安全理念中 。 特别是，值得考虑的是安全措施主要针对的目标群体以及在那里可能需要的资格。 市场增长和市场份额的增加意味着不仅大规模工业用户会接触到可能危险的材料和物质未经培训的技术非专业人士也是如此。 工业安全技术的基本哲学是，人类必须始终受到危害的保护，必须避免风险。与安全相关的事故最坏情况评估必须始终设计成考虑链条中最薄弱的环节而这通常是人类。 过程工业 机械安全 安全相关分析 LOPAHAZOPPHA 分析各部分危害 由于危害 有害物质 泄漏，电力，但主要由于失败：控制系统 （剪切、压碎） 制造（的）流程 通过安全反应监控 通常先是警报，然后通过运营商干预不同等级的保护 设备 停止危害 流程（例如）机器运动 干预在控制序列 反应时间 调整至流程 反应（秒小时） 立即 （毫秒） 环境 环境 植物机器 组织措施对于 工作流程、检查清单、综合的文档） 经过训练的生产订单 操纵 安全理念 合格且经过培训的专业人士 偶尔初学者，谁有尚未有详细培训 表格：工艺工业与机械安全中安全措施的对比 12使用氢气时有哪些风险？ 氢气与氧气的混合物是一种高度爆炸性的气体；它通常处于高压状态，并且在其液态下极为寒冷 。这要求在制造、运输和处理过程中采取广泛的防护措施。氢气和氧气的可燃性范围极广，体积浓度为4至78，在此范围内可能发生点火或爆炸。 同时，氢气相比汽油或天然气等燃料，需要更低的点火能量，因此它能够更容易地被点燃。 因此，在设计氢气设备和容器时，确保有足够的通风和或泄漏检测是至关重要的。因为氢气燃烧时火焰几乎看不见，因此还需要特殊的火焰传感器。选择合适的材料对于设计耐用、坚固的氢气容器也很重要。金属在接触氢气时可能会变脆。鉴于其小分子尺寸，它可以通过最小的裂缝或材料转变泄漏。 存在大量与氢的制造、加工和储存相关的风险，必须予以考虑。火、爆炸和窒息是在处理氢气时必须考虑的最重要安全方面。特别是在空气中氢气体积的广泛易燃范围为4至78的背景下 。 2 泄漏由于其小分子尺寸、低分子量、高扩散性和低粘度，氢气非常难以储存并且容易泄漏。氢气泄漏可能导致火灾或爆炸的严重风险。一般认为 ，在封闭空间中，氢气会上升到天花板，替代氧气。因此，在可能积聚的空间中很难检测到氢气。高压氢气泄漏甚至更难检测，因为气体喷出管道或容器的方向可能无法预测。这使得定位合适的传感器更加困难。 火灾点火氢气极易燃且自然易爆。它比其他燃料更容易点燃和燃烧，作为地球上最轻的元素之一，它向上扩散非常迅速。氢气火焰是无形的，这使得定位火源变得困难。当与空气混合时，氢气非常易燃。然而，纯氢火焰非常淡，在日光下几乎看不见。 接触性损伤由于氢气通常以液态储存在加压氢气罐中，因此温度极低。如果氢气以这种状态逸出并接触皮肤，或者液态氢的冰雾被吸入，这可能导致烧伤、冻伤、体温过低和肺部损伤。 安全预防措施对于确保安全应用至关重要。检测技术与安全控制技术的结合在安全使用以及防止损坏和事故方面发挥着关键作用。 13基本解释“功能安全”一词 标准和法规确保工业设备和机械的安全性，它们涵盖了广泛的机器和设备，侧重于基本健康和安全要求。无论是装配线还是单台机器，遵守这些法规对于保护员工和预防事故至关重要 。 此外，风险评估对于确保机械设备在设计、制造过程中以及在使用过程中和可预见误用情况下尽可能降低风险是必不可少的。 “功能安全”是指在安全依赖于控制系统的正确功能时使用的术语。然而，功能性安全不仅仅考虑工厂或机器的当前状态在整个生命周期内的考虑因素也在此评估中扮演着角色。The 功能安全标准包括风险评估、需求规范、验证、定期功能测试和调试。 风险评估在功能安全要求方面起着核心作用。在评估和降低机械风险时，您需要考虑的步骤来源于以下方面：标准ENISO12100：设计的一般原则风险评估和风险降低安全功能的评估和验证是标准ENISO13849：控制系统的安全相关部分和ENIEC62061：安全完整性等级（SIL）的规定，前提是所需的安全保护依赖于控制系统。安全完整性要求（PL，SIL）来源于风 险估计。 根据ENIEC61508：《电气、电子和可编程电子安全相关系统的功能安全》，安全完整性指的是安全相关系统安全功能的有效性。 在确定有效性时，涉及安全的所有要素的整个链条。函数始终被考虑，即： 适当的传感器用于安全记录与安全相关的过程变量 适当的控制器用于安全评估过程状态 适当的执行器用于安全影响过程变量（控制，调节） 随着系统和与安全相关的要求的复杂性，电子系统越来越多地被使用，尤其是可编程控制器。这些设备在安全相关应用中被用来监测压力、温度、速度、流量和液位。 标准系列ENIEC61511：功能安全涵盖了工艺工业中工厂和系统的安全问题。作为EN61508的一个行业标准，ENIEC61511系列是ENIEC62061的姐妹标准。这一点反映在三个标准中包含的类似观察和数学原理上。然而，对大多数最终用户和组件制造商来说，一个重要区别是区分低或高需求率的操作模式。在工艺工业中，工厂通常以低需求率处理安全功能的方式进行设计 。 根据ENIEC615111，故障是指一个项目无法执行所需功能的能力终止。 在功能安全领域，随机错误和系统错误之间有明确的区分。 随机硬件故障是指在电子组件中统计上发生且具有可重现概率的硬件故障。因此，在功能安全中确定的故障率只能指随机故障。随机故障的故障率是基于在允许的操作条件下运行（如环境温度 、辐射以及设备的允许使用寿命）而确定的。系统故障无法进行统计量化，因此无法指定故障率 。系统故障可以追溯到特定原因，这些原因只能通过修改设计、制造过程、操作、媒体影响、腐蚀或磨损来影响。系统误差也会出现在安全系统中的机械组件上。例如，电子传感器与操作介质的连接以及执行器的机械组件。 示例：与安全相关的系统（SRS）和与安全相关的功能（SRF） 上图展示了与安全相关功能考虑和评估方法的示例，如下表中针对每个定义的安全功能分别列出。 与安全相关评估，工艺价值 输入变量来自流程 监控 输出（过程）反应） 压力在管道 安全压力测量管道中 测量的当前价值至评估设备 压力值 具有固定可变限制价值 过程，关闭，的安全阀 阀门 增长压力 安全压力测量在油箱内 测量的当前价值至评估设备 持续上升下降持续低 存储，安全时间基准，安全限值值比较，安全计算等。 过程，关闭，的安全阀 阀门 温度在坦克 罐内测量 测量的当前价值至评估设备 温度值 具有固定可变限制价值 安全存储极限值 过程，关闭，的安全阀 阀门 氢检测 集中度在周围空气火焰探测 通风控制新鲜空气量绕过管理层必须 同样也应被监控的是SIS 通风通风口 表：安全相关功能考虑与评估方法 14爆炸防护 氢处理中的第三道安全防线，与功能安全及工业安全并驾齐驱，是防爆保护。 电厂运营商该过程需进行氢气危害评估。这将检查由于爆炸性混合物的发生可能产生的爆炸危害。这些包括氢氧混合物。这些要求旨在保护处于危险区域的员工及其他人员，并源于199824EC化学剂指令和199992ECATEX137指令。199824EC化学剂指令规定了通用爆炸保护要求，而199992EC指令规定了大气条件下的爆炸保护要求。应描述爆炸保护概念和将工厂划分为爆炸保护区（Ex区）的分类，在所谓的爆炸保护文件中。 如果危害分析结果确定为明确的安全区域，则在该区域使用的制造商组件必须符合在此区域使用的资格。 不同区域（020，121，222）表示在特定地点发生爆炸性气氛的概率